《LED熱管理及散熱技術(shù)應用》基于傳熱學基本原理,結(jié)合國內(nèi)外LED熱管理*技術(shù),重點解決LED應用中散熱技術(shù)的工程應用,全面系統(tǒng)地閘述了LED封裝、模組和系統(tǒng)各應用體系熱管理的基本知識、實用散熱技術(shù)及工藝。全書共11章,層次分明,基本涵蓋了傳熱基本知識、LED熱管理基本知識、LED芯片和封裝熱管理、LED村底和基板熱管理、LED熱界面材料、LED燈具散熱設計、先進散熱技術(shù)、實驗熱測試方法、數(shù)值熱模擬及熱設計等基礎知識和解決方案。
本書對基礎理論闡述通俗易懂,同時將企業(yè)生產(chǎn)實踐中的工藝流程、案例設計、檢測報告等一手資料展示給讀者,針對性強,具有很高的參考價值。此外,書中附有大量插圖和數(shù)據(jù)表格,許多表格都是各生產(chǎn)企業(yè)、供應商及客戶的*產(chǎn)品及性能指標,具有很強的工程指導性。同時,重點章節(jié)還有詳細的例題解答,供讀者練習鞏固。
LED作為第四代照明光源,具有安全可靠性強、耗電量少、穩(wěn)定性好、發(fā)光效率高、響應時間短、顏色可變、適用性強、綠色環(huán)保等優(yōu)點,被廣泛應用于背光照明、通信、顯示、醫(yī)療設備、汽車照明及通用照明燈領域。隨著LED技術(shù)的不斷創(chuàng)新,LED的應用領域及形式不斷擴展,逐漸滲透到人們生活的方方面面,引起全球照明領域的變革。
經(jīng)過近幾年的調(diào)整,2017年國內(nèi)外LED市場景氣度回升,LED行業(yè)無論是技術(shù)工藝還是產(chǎn)品設計,乃至整個行業(yè)規(guī)模,都朝著一個可喜的方向發(fā)展。全球LED行業(yè)市場規(guī)模為6480.74億美元,同比增長13.42%,LED照明滲透率達到36.7%。國內(nèi)市場總體規(guī)模為6368億元,同比增長21%。中國逐漸成為LED主要生產(chǎn)市場和消費市場,成為全球LED行業(yè)的重要組成部分。
LED的蓬勃發(fā)展需要不斷突破影響LED行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸,散熱技術(shù)就是需要解決的問題之一。LED芯片的光電轉(zhuǎn)換效率較低,會產(chǎn)生大量熱量。在LED燈具及工程應用中,由于熱界面材料及結(jié)構(gòu)的不完善,積累的熱量會更多。這將導致LED芯片溫度升高,嚴重影響了LED的光學效果,造成系統(tǒng)的不可靠性及使用壽命的降低。隨著人們追求高功效、高密度、輕便化、集成化的LED應用,熱效應對LED的影響會越來越嚴重。
針對LED散熱問題,國內(nèi)外學者分別對LED材料、結(jié)構(gòu)、工藝及系統(tǒng)等各層次進行了大量的優(yōu)化設計。因此,本書在傳熱學基礎上,系統(tǒng)地講述了LED芯片、封裝、基板、熱界面材料、大功率散熱器、燈具及工程應用、熱性能測試及熱模擬設計,力爭將最先進的散熱技術(shù)有效地推廣應用到LED熱流通道各環(huán)節(jié)中,最大限度地降低熱阻,實現(xiàn)有效控制LED結(jié)溫。
本書的構(gòu)思及撰寫是整個團隊集體努力的結(jié)果。李月鋒參與了各章節(jié)的撰寫及整理工作,鄒軍參與了芯片、封裝和熒光粉相關(guān)章節(jié)的編寫。嘉善恒杰熱管科技有限公司的鄭浩技術(shù)總監(jiān)參與了本書整體結(jié)構(gòu)的制定,楊子杰總經(jīng)理參與了第9章內(nèi)容的編寫,蘇維波經(jīng)理提供了散熱器生產(chǎn)工藝方面的資料,李妍經(jīng)理參與了文字校對工作,研究生錢幸璐參與了部分文字的整理工作,楊互助經(jīng)理提供了LED燈具實驗測量的資料。
特別感謝浙江嘉熙科技有限公司李居強博士提供的PCI資料,以及國內(nèi)外專家學者和LED器件制造商、經(jīng)銷商。
由于編者水平有限,加之時間倉促,書中難免有不當之處,敬請讀者批評指正。
編者
2018年4月
李月鋒,上海應用技術(shù)大學理學院副教授,主要從事太陽能高溫相變材料的熱性能研究。
鄒軍,上海應用技術(shù)大學理學院副教授,主要從事LED和LD相關(guān)氮化物和氧化物材料與器件研究。
第1章緒論1
1.1半導體照明技術(shù)的進展3
1.2熱效應對LED的影響6
1.2.1溫度對大功率LED光電性能的影響(參數(shù)失效)6
1.2.2溫度引起大功率LED的失效(災難性失效)10
1.3熱管理的作用、目的及思路12
第2章
傳熱學基本知識14
2.1熱傳導14
2.2對流換熱15
2.3熱輻射17
2.4界面熱阻18
2.5擴散熱阻19
2.6散熱器20
2.6.1肋片20
2.6.2散熱器的散熱特性22
第3章
LED熱管理基本知識23
3.1LED工作原理23
3.1.1LED發(fā)光原理23
3.1.2LED系統(tǒng)及構(gòu)成26
3.1.3LED發(fā)光效率29
3.1.4LED主要參數(shù)與特性33
3.2LED發(fā)熱原因及LED溫升特性38
3.2.1LED芯片及封裝熱量產(chǎn)生原因38
3.2.2LED芯片溫升特點39
3.3LED器件熱阻網(wǎng)絡40
3.3.1LED熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)40
3.3.2LED串并聯(lián)熱阻41
3.3.3LED結(jié)溫計算方法42
3.3.4LED熱阻的幾點說明42
第4章
LED芯片熱管理44
4.1GaN基正裝LED芯片熱阻基本構(gòu)成44
4.2GaN基正裝LED芯片制約因素45
4.3LED芯片提高發(fā)光效率及熱管理方案47
4.4LED芯片常見芯片尺寸、材質(zhì)及規(guī)格57
第5章
LED封裝熱管理61
5.1LED封裝工藝61
5.2LED封裝熱阻模型66
5.3LED封裝熱阻的影響因素分析70
5.3.1固晶層70
5.3.2支架76
5.3.3擴散熱阻85
5.3.4熒光粉及封裝方法87
5.4LED封裝熱阻計算實例92
5.5LED封裝主要廠商、類型及特色97
第6章
熱界面材料113
6.1材料導熱微觀機理113
6.1.1金屬導熱機理113
6.1.2無機非金屬導熱114
6.1.3聚合物高分子導熱115
6.2熱界面材料分類116
6.3有機熱界面材料117
6.3.1本征型熱界面材料117
6.3.2填充型熱界面材料119
6.3.3常見LED有機熱界面材料135
6.4無機熱界面材料139
6.4.1釬料基礎知識139
6.4.2典型無鉛釬料139
6.4.3焊膏143
6.5熱界面材料涂覆工藝144
6.6熱界面材料熱阻模型151
6.7熱界面材料生產(chǎn)廠商及產(chǎn)品簡介153
第7章
LED基板熱管理159
7.1基板類型159
7.2印刷電路基板160
7.3金屬芯印刷電路基板162
7.4陶瓷基板164
7.5撓性印刷電路基板168
7.6基板熱阻模型169
7.7基板生產(chǎn)廠商及產(chǎn)品簡介171
第8章
LED燈具散熱設計174
8.1LED燈具特征及應用174
8.1.1LED燈具介紹174
8.1.2LED燈具應用176
8.2LED燈具常用傳熱和散熱方式183
8.2.1傳熱和散熱基本概念183
8.2.2LED強化傳熱方法185
8.2.3LED常用散熱方法187
8.2.4LED燈具散熱器熱輻射應用技術(shù)195
8.3LED電源熱管理198
8.3.1LED驅(qū)動電源的分類198
8.3.2LED驅(qū)動電源的熱損耗200
8.3.3LED驅(qū)動電源熱管理方案201
8.4LED燈具熱設計的基本方法及實例201
8.4.1LED燈具熱阻模型201
8.4.2LED燈具熱管理方法206
8.4.3LED燈具散熱器熱分析與熱設計207
第9章
先進散熱技術(shù)214
9.1熱柱214
9.1.1熱柱工作原理214
9.1.2熱柱種類215
9.1.3銅熱柱材料215
9.1.4熱柱制造工藝217
9.1.5熱柱的應用219
9.2相變抑制(PCI)傳熱技術(shù)220
9.2.1PCI傳熱技術(shù)概述220
9.2.2PCI傳熱技術(shù)優(yōu)點221
9.2.3PCI傳熱技術(shù)應用221
9.3合成噴射式散熱技術(shù)221
9.3.1工作原理221
9.3.2技術(shù)優(yōu)點223
9.3.3在LED燈具散熱中的應用223
9.4液態(tài)金屬散熱225
9.4.1液態(tài)金屬的基本性質(zhì)225
9.4.2液態(tài)金屬傳熱性質(zhì)225
9.4.3液態(tài)金屬傳熱在LED燈具散熱中的應用226
9.5離子風散熱技術(shù)226
9.5.1離子風散熱基本原理226
9.5.2離子風散熱特點227
9.5.3離子風散熱器應用228
第10章
LED燈具熱測試方法229
10.1熱測試概況229
10.1.1測試標準及測量參數(shù)229
10.1.2測試常見方法230
10.2LED燈具熱測試常用儀器231
10.2.1溫度傳感器231
10.2.2紅外熱成像儀237
10.2.3熱阻測試儀240
第11章
LED熱管理的數(shù)值計算245
11.1數(shù)值計算概況245
11.1.1數(shù)值解法基本思路245
11.1.2計算區(qū)域離散化245
11.1.3計算時間離散化246
11.1.4控制方程離散方法246
11.1.5有限差分基本思路247
11.2控制方程離散化248
11.2.1控制體內(nèi)節(jié)點方程248
11.2.2控制體邊界節(jié)點方程250
11.3節(jié)點離散方程組求解253
11.4常用LED照明熱仿真軟件254
11.4.1計算流體力學軟件254
11.4.2工程流體力學軟件255
11.4.3專業(yè)電子散熱軟件257
11.4.4專用散熱器計算軟件258
參考文獻259